一種基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及核磁共振陀螺儀技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于寬譜激光泵浦的核磁共 振陀螺儀，可應(yīng)用于戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)武器裝備的制導(dǎo)與控制。
【背景技術(shù)】
[0002] 陀螺儀能夠為運動物體建立不變的坐標(biāo)系，是測量物體轉(zhuǎn)動角速率和角度的重要 工具，是戰(zhàn)略/戰(zhàn)術(shù)武器裝備/平臺、空間飛行器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整/控制、實現(xiàn)自主/隱蔽導(dǎo) 航的核心信息源之一。隨著傳統(tǒng)戰(zhàn)爭模式向海陸空天電磁等多維戰(zhàn)場空間的聯(lián)合作戰(zhàn)模式 的轉(zhuǎn)變，微小型空間飛行器、小型導(dǎo)彈/作戰(zhàn)平臺等武器裝備的發(fā)展對慣性測量單元的性 能提出了更尚要求，尤其是在小體積、低功耗的如提下實現(xiàn)尚精度、大動態(tài)等技術(shù)指標(biāo)。
[0003] 陀螺儀的發(fā)展經(jīng)歷了基于牛頓力學(xué)的轉(zhuǎn)子式陀螺儀，基于光波Sagnac效應(yīng)的光 學(xué)陀螺儀，基于科氏力的MEMS陀螺儀，以及有望實現(xiàn)高精度/小體積的新一代原子陀螺儀。 原子陀螺儀分自旋式和干涉式兩類，前者又包括核磁共振陀螺儀、無自旋交換弛豫陀螺儀 和金剛石結(jié)構(gòu)NV色心陀螺儀。原子干涉陀螺儀具有較高的理論精度，但光場/磁場控制結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，體積大。無自旋交換弛豫陀螺儀要求環(huán)境磁場趨于零，堿金屬原子密度>l〇 13/cm3， 不利于降低陀螺儀的功耗和成本。金剛石結(jié)構(gòu)NV色心陀螺儀處于學(xué)術(shù)探索階段，相關(guān)技術(shù) 還不成熟。核磁共振陀螺儀能夠兼顧高精度、小體積、低功耗等特點，是未來高精度、緊湊式 原子陀螺儀的重要發(fā)展方向，有望在未來5-10年內(nèi)實現(xiàn)工程應(yīng)用。
[0004] 1979年美國Kearfott公司和Litton公司率先研制出核磁共振陀螺儀原理樣機(jī)， 其分別用汞燈和銣燈做泵浦光源，樣機(jī)的體積較大，精度較低。隨后美國Stanford大學(xué)和 英國Sussex大學(xué)為解決弱信號檢測及磁場穩(wěn)定性問題，轉(zhuǎn)入研宄低溫超導(dǎo)核磁共振陀螺 儀，樣機(jī)體積較大，成本較高。近年來，美國加州大學(xué)嘗試采用MEMS技術(shù)研制微型核磁共 振陀螺儀，但存在內(nèi)壁多層鍍膜困難，加熱導(dǎo)線引入的干擾磁場制約陀螺精度等問題。此 外，美國諾?格公司利用被動組裝技術(shù)研制微小型核磁共振陀螺儀，也存在工藝難度大，重 復(fù)性差等難題。此外，基于窄帶（〈100MHz)激光泵浦的核磁共振陀螺儀存在極化效率低、功 耗高等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于寬譜激光泵浦的核 磁共振陀螺儀，該核磁共振陀螺儀采用寬帶激光泵浦極化堿金屬，該寬帶激光的線寬大于 超精細(xì)能級分裂間隙，可有效提高工作介質(zhì)極化率，并且本發(fā)明采用磁屏蔽體對外界磁場 進(jìn)行衰減，并在磁補償線圈內(nèi)施加電流產(chǎn)生磁場來補償剩余的磁場，從而有效隔離干擾磁 場。
[0006] 本發(fā)明的上述目的通過下述技術(shù)方案予以實現(xiàn)：
[0007] 一種基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀包括探測光路部件、泵浦光路部件、偏 振光路部件、光電探測部件、信號解調(diào)電路、原子氣室17、加熱體18、磁補償線圈19、磁屏蔽 體2和外殼1，其中：
[0008] 原子氣室17固定放置于加熱體18的中空腔體內(nèi)，磁補償線圈19分布在加熱體18 的外側(cè)表面且放置在磁屏蔽體2的內(nèi)部，探測光路部件、泵浦光路部件、偏振光路部件、光 電探測部件放置在所述磁補償線圈19和磁屏蔽體2之間；磁屏蔽體2位于外殼1的內(nèi)部； 信號解調(diào)電路處于磁屏蔽體2和外殼1之間；
[0009] 其中，探測光路部件和泵浦光部件分別生成探測光和泵浦光，所述泵浦光為線寬 大于超精細(xì)能級分裂間隙的寬帶激光；所述探測光經(jīng)過磁補償線圈19和加熱體18的一側(cè) 進(jìn)入原子氣室17,并從加熱體18和磁補償線圈的另一側(cè)射出，形成直線探測光路A，并由偏 振光路部件進(jìn)行偏振處理生成偏振光路C和偏振光路D，其中，偏振光路C與偏振光路D相 互平行，且均與探測光路A垂直；所述泵浦光經(jīng)過磁補償線圈19和加熱體18的一側(cè)進(jìn)入原 子氣室17,并從加熱體18和磁補償線圈的另一側(cè)射出，形成直線泵浦光路B ;其中，所述探 測光路A與泵浦光路B相互垂直相交，且交點位于原子氣室17的中心位置；
[0010] 所述偏振光路C和偏振光路D分別輸出S偏振光和P偏振光，經(jīng)過光電探測部件 進(jìn)行光電探測處理得到探測信號；信號解調(diào)電路接收所述探測信號，并經(jīng)過差分、鑒相處理 得到陀螺信號。
[0011] 在上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀中，所述探測光路部件包括第一激 光二極管9、第一非球面透鏡8、第一 λ /2波片7、第一偏振分束棱鏡6、第一光吸收器4和 第二λ/2波片5,其中：
[0012] 所述第一激光二極管9產(chǎn)生的線偏振光經(jīng)第一非球面透鏡8準(zhǔn)直為平行光束，并 通過第一 λ /2波片7后進(jìn)入第一偏振分束棱鏡6,分為S偏振光和P偏振光，其中，所述P 偏振光由第一光吸收器4收集，所述S偏振光通過第二λ /2波片5,并作為探測光經(jīng)過磁補 償線圈19和加熱體18的一側(cè)進(jìn)入原子氣室17,所述S偏振光的光路為探測光路Α，且與P 偏振光的光路相垂直。
[0013] 在上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀中，第一激光二極管9、第一非球面 透鏡8、第一 λ /2波片7、第一偏振分束棱鏡6和第一光吸收器4依次分布在直線E上，且 第一偏振分束棱鏡6、第二λ /2波片5和原子氣室17的中心依次分布在直線F上，所述直 線E與直線F相垂直，其中，所述直線E的方向與所述P偏振光的光路一致，直線F的方向 與探測光路A-致，其中：
[0014] 第一非球面透鏡8的焦點處于第一激光二極管9的發(fā)光面中心，第一偏振分束棱 鏡6內(nèi)的反射面的法線與直線E成45度角，第一光吸收器4的入光口正對第一激光二極管 9的發(fā)射面。
[0015] 在上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀中，所述泵浦光部件包括第二激光 二極管12、第二非球面透鏡13、λ/4波片14和第二光吸收器3,其中：
[0016] 第二激光二極管12發(fā)射線偏振寬帶激光，并經(jīng)第二非球面透鏡13準(zhǔn)直為線偏振 的平行光束，然后再經(jīng)過λ/4波片14轉(zhuǎn)換為圓偏光平行光束，并作為泵浦光經(jīng)過磁補償線 圈19和加熱體18的一側(cè)進(jìn)入原子氣室17進(jìn)行堿金屬極化，剩余的泵浦光由原子氣室17 的另一側(cè)射出，并穿過加熱體18和磁補償線圈19，由第二光吸收器3收集。
[0017] 在上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀中，第二激光二極管12、第二非球 面透鏡13、λ/4波片14、原子氣室17和第二光吸收器3的中心依次分布在直線G上，所述 直線G的方向與泵浦光路B方向一致：
[0018] 其中，第二非球面透鏡13的焦點處于第二激光二極管12的發(fā)光面中心，第二光吸 收器3的入光口正對第二激光二極管12的發(fā)射面。
[0019] 在上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀中，偏振光路部件包括第二偏振分 束棱鏡16和直角棱鏡15,光電探測部件包括第一光電探測器10和第二光電探測器11 ;其 中：
[0020] 由原子氣室17射出并穿過加熱體18和磁補償線圈的一側(cè)的探測光，由第二偏振 分束棱鏡16分為S偏振光和P偏振光，其中S偏振光由第二光電探測器11接收，并經(jīng)過探 測得到探測信號A ;而所述P偏振光經(jīng)直角棱鏡15反射后由第一光電探測器10接收，并經(jīng) 過探測得到探測信號B，輸出所述探測信號A和探測信號B到信號解調(diào)電路。
[0021] 在上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀中，第二偏振分束棱鏡16和第二 光電探測器11的中心依次分布在直線H上，所述第二偏振分束棱鏡16內(nèi)的反射面的法線 與直線H成45度角；直角棱鏡15和第一光電探測器10的中心依次分布在直線I上，所述 直角棱鏡15的反射面的法線與直線I成45度角。
[0022] 上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀還包括激光驅(qū)動電源、溫度控制電路 和磁場驅(qū)動電路，其中：
[0023] 所述激光驅(qū)動電源用于驅(qū)動探測光路部件和泵浦光路部件的激光二極管；溫度控 制電路為加熱體加熱體18提供加熱電流；磁場驅(qū)動電路為磁補償線圈19提供驅(qū)動電流。
[0024] 在上述的基于寬譜激光泵浦的核磁共振陀螺儀中，激光驅(qū)動電源、溫